高速公路裝配式箱涵設計與施工分析

李 偉

(山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

1 裝配式箱涵方案比選

本項目涵洞接長共設計4種規格的裝配式箱涵，即：3 m×2.5 m，3 m×3.5 m，4 m×3.5 m和4 m×4.5 m。根據本項目的吊裝、運輸等施工要求，經過研究和分析，我們提出的門形裝配式箱涵，箱涵底板在受力較小位置處斷開，箱涵由預制門式構件和現澆底板兩部分組成。此方案箱涵較大程度地減小了預制構件的重量，且箱涵整體性較好，底板現澆對地基的平整度要求也較小，獲得了建設方和施工方的一致認可，因此我們最終確定采用門形裝配式箱涵為本項目的箱涵接長設計方案。

2 裝配式箱涵設計計算

箱涵的設計計算包括內力計算和配筋設計計算兩大部分，傳統箱涵均是參照國內規范、按照現澆力-式進行設計計算的，尺寸較大、配筋較多，工程反饋涵洞設計偏于保守。對于裝配式箱涵，綜合考慮工廠預制、運輸和吊裝等因素，不適宜按照現澆模式來設計計算，因此我們考慮采用美國軟件ETCulvert進行某高速改擴建項目裝配式箱涵的設計計算。ETCulvert是一款既可用于現澆箱涵計算，也可用于裝配式箱涵計算的多功能軟件。

ETCulvert軟件分為設計和驗算兩種模式，本項目裝配式箱涵計算先按設計模式進行，然后根據國內施工的習慣、要求和工程經驗對計算得到的箱涵尺寸和配筋進行局部調整，再通過ETCulvert軟件中的驗算模式進行驗算，最終確定箱涵尺寸和配筋。計算時，活載采用國內《公路橋涵設計通用規范》(JTUD60-2004)中定義的汽車荷載。

3 裝配式箱涵試驗研究

3.1 箱涵周圍土壓力監測

箱涵現場試驗時，受現場試驗條件的限制，汽車荷載的作用采用等效土壓力加載的方式進行模擬，箱涵頂部填土至一定高度后，為保證填土的壓實度和作用，采用砂袋灌土的方式繼續堆載至設計填土高度。

土壓力監測采用土壓力盒和數字式頻率儀進行。土壓力的測點主要設置在中間一節箱涵的中斷面上，共布設35個測點，土壓力監測主要測量箱涵周圍土壓力隨填土和汽車荷載作用的變化，以了解箱涵周圍土體的壓實情況。

試驗得到箱涵兩側填土土壓力基本一致，且均隨著填土高度的增大均勻增大，說明箱涵兩側填土是對稱的，且壓實度較好，由于靠近箱涵附近只能采用小型壓實機具和人工壓實方式壓實，因而外側-排測點的土壓力均比內側測點大一些。箱涵頂板兩端外側處土壓力存在局部跳躍現象，主要由于箱涵頂部拐角處壓實較難控制所致，隨著頂部填土的增加，跳躍處的土壓力逐漸恢復正常。

3.2 箱涵應力監測

箱涵應力監測選擇中間一節箱涵的中部截面作為監測斷面，沿箱涵外表面和內表面共布置31個測點，箱涵內側每個測點處分別沿軸向和環向兩個方向粘貼應變片，箱涵外側采用預埋鋼弦式應變計進行測量。

箱涵應力監測根據施工過程分為兩個階段：回填壓實階段和汽車荷載作用階段。通過對各個監測點應力數據的分析，得到箱涵頂板、側墻和底板各部分的內力分布、控制應力及其所在位置。

試驗結果表明：箱涵頂板外側全部受壓、內側全部受拉，跨中拉應力最大為4.832 MPa；填土較低時，箱涵側墻表現為外側受拉、內側受壓，隨著填土的增加，側墻中部外側的拉應力逐漸減小，最終轉換為內側受拉，最大拉應力為1.516 MPa；箱涵底板表現為內側受拉，由于底板有一部分為后澆，且底下地基土并非理想的彈性均質地基，實測底板的最大拉應力不在跨中位置，而在底板端部內側的倒角處，最大為1.902 MPa。由箱涵各部位控制應力可知，局部位置應力超過了箱涵結構混凝土的抗拉強度，箱涵局部出現開裂現象，但根據試驗現場的觀測，未能檢測出肉眼可見的裂縫，說明裂縫寬度還非常小，不影響結構的正常使用。

3.3 箱涵變形和沉降監測

箱涵變形監測主要選擇中間預制節段布置測點，在頂板和側墻上共布置6個測點，監測箱涵的水平和豎向變形。箱涵沉降測點布置在各箱涵預制節段底板內側，一共選擇5個斷面監測，每個斷面設置3個測點。根據試驗監測結果，箱涵頂板的豎向變形最大，變形值為2.14 mm，箱涵側墻的最大水平變形值為1.03 mm，由此可知，所設計的箱涵在涵頂5 m高填土荷載和汽車荷載作用下的變形值很小。箱涵各沉降測點的位移值均比較接近，平均12.2 mm，說明箱涵基礎處理后較為穩固，也比較均勻，可保障箱涵不會因沉降不均勻而發生破壞。

4 裝配式箱涵施工

4.1 工廠預制

鋼筋骨架制作。構件屬于規格結構，鋼筋綁扎選擇的是自制定位胎架，從胎架中建立卡槽與定位管，以實現鋼筋骨架間隔距離的有效控制。

模板設計及制作。選擇8 mm定型的復合鋼模板進行構件預制，必須確保模板剛度、強度與精度符合規范要求，同時模板設計采用側移式與鉸接式，重視模板合龍與構件脫模等操作的便捷性。

構建保護層。墊塊數量應確保≥4個/m2，以梅花型進行布設，結合具體狀況實施加密，以免墊塊數量不足，從而造成鋼筋下沉或是墊塊壓碎變形。

鋼筋骨架吊裝。選用吊裝模具以多點吊裝方式進行鋼筋骨架安裝，以免吊裝施工階段骨架出現變形，從而對構件的性能指標造成不利影響。

4.2 構件運輸及拼裝

構件運輸。主要采用平板車完成構件的安全運輸，但是需要提前根據實際情況與運輸要求等做好相關組織工作。

構件拼裝準備。在正式進行構件拼裝施工之前，需要對墊層的平整度實施嚴格檢查，確保平整度誤差低于3 m。同時構件運輸之前，也要對運輸路線進行全面檢查，以保證構件運輸的順利通行。采用的構件運輸設備主要是大型平板車，通過倒鏈將構件固定，然后合理支墊橡膠墊，以保證構件運輸階段不會出現破損現象。

構件拼裝。按照構件的最大重量與安裝施工等要求，需要配置一臺履帶吊車(重量級別是80 t)。在節段安裝過程中需要嚴格貫徹由低處至高處的逐節安裝基本原則，首先進行側墻拼裝，然后進行蓋板拼裝。但是蓋板吊裝就位之前，需要從側墻凹槽涂抹高強水泥砂漿(級別是M30)，在蓋板就位后實現鉸縫的自行填塞。

5 總 結

本文首先對高速公路裝配式箱涵設計進行了分析，主要包含了涵洞結構選擇、跨徑對比以及結構防水設計等，并重點研究了裝配式箱涵施工過程，分析了裝配式箱涵與傳統涵洞施工對比。研究表明，裝配式箱涵施工規范、精細，需要的施工工時較短，顯著控制了施工成本，而且使用范圍比較廣。